что такое e ink дисплей
Дисплеи E-Ink: энергосберегающая альтернатива для LCD
Мы привыкли видеть в большинстве любительских проектов экраны на жидких кристаллах (LCD), а органические дисплеи OLED только-только начинают их теснить. Но есть ещё один любопытный тип дисплеев: электронная бумага e-Paper, которая встречается в основном на «читалках». Сегодня вполне реально использовать экраны E-Ink в своих самодельных устройствах на Arduino и Rapspberry Pi. Разбираемся, какие они бывают и в чём отличия между модулями.
Что такое E-Ink
Чтобы лучше понять суть электронной бумаги, нужно сперва ознакомиться с общим принципом работы электрофоретических дисплеев, к которым она относится. В таких устройствах пиксели имеют два устойчивых состяния, а переключение между ними происходит под действием электромагнитного поля.
В случае с электронной бумагой каждый пиксель — это микрокапсула с жидкостью и твёрдыми пигментными частицами (электронными чернилами), обладающими собственным зарядом. Благодаря этому частицы реагируют на электромагнитное поле и перемещаются в капсуле в зависимости от положительного или отрицательного заряда. Таким образом можно блокировать или отражать падающий свет и получать на экране монохромное изображение.
В этом и заключается одно из главных отличий дисплеев на электронных чернилах E-Ink от жидких кристаллов LCD: экран из электронной бумаги не требует постоянной подсветки, а изображение формируется лишь отражённым светом. При этом не происходит лишних преобразований светого потока, в то время как ЖК-дисплею нужна постоянная подсветка, которая проходит через два поляризатора и теряет интенсивность.
Кроме того, энергия расходуется только на переключение состояний электронных чернил, а чтобы поддерживать текущее изображение, дисплею E-Ink совсем не нужна энергия. Неудивительно, что эта технология завоевала себе нишу там, где нужно подолгу выводить статическое изображение под внешним светом — например, в электронных книгах.
Преимущества и недостатки
Как видно, технология электронной бумаги e-Paper обладает некоторыми выигрышными свойствами, но в то же время, у неё есть ряд недостатков, продиктованных технологическими ограничениями.
Плюсы
Минусы
Монохромные и цветные
Исходя из предыдущих пунктов, может показаться, что экраны E-Ink бывают только чёрно-белыми. На деле же электронные чернила бывают с разными пигментами: например, красного или жёлтого цвета. С их помощью получаются трёхцветные дисплеи, которые привносят дополнительные краски к привычному изображению.
Существуют также полноцветные экраны E-Ink, но они использовались только в дорогих электронных книгах и не получили широкого распространения, хотя работы в этом направлении по-прежнему ведутся.
Частичное обновление экрана
Типичный дисплей из электронной бумаги обновляется полностью, даже если меняется лишь часть изображения. В этом нет ничего страшного, поскольку расход энергии всё равно остаётся небольшим.
Но в некоторых моделях экранов E-Ink поддерживается функция частичного обновления: вместо того, чтобы «сбрасывать» весь экран, они обновляют только те участки изображения, которые изменились относительно предыдущего состояния. Это позволяет снизить энергопотребление до самого минимума и избавиться от мерцания изображения на той части экрана, где оно остаётся без изменений. Например, если вы выводите показания множества датчиков, а значение изменилось только у одного.
Какие бывают модули E-Ink
Если вы выбираете экран из электронной бумаги для создания собственных устройств, то вам попадётся несколько форм-факторов.
Голый экран представляет собой панель E-Ink без какого-либо обвеса, которая поставляется на стеклянной или гибкой пластиковой подложке. Такой элемент удобно встравивать в корпус устройства или клеить на поверхность, но с подключением придётся немного повозиться.
Дисплейный модуль — это законченное устройство, в котором уже есть экранная панель и необходимая обвязка на плате: драйвер, преобразователи питания и т. п. Если вы не хотите, чтобы экранный модуль свободно болтался на кабелях, его можно закрепить на 4 винта.
Если отталкиваться от модельного ряда компании Waveshare, то в нём представлены дисплеи E-ink с диагональю от 1,54 до 10,3 дюймов. Смотрите и выбирайте экраны и дисплейные модули E-Ink в нашем каталоге.
Варианты подключения E-Ink
Экраны E-Ink отличаются не только форм-фактором, но и способом подключения к управляющей платформе — будь то Arduino, Raspberry Pi или другие платы. Конечно, можно заморочиться и распаять два десятка контактов на FPC-коннекторе, но мы предпочитаем более изящные решения!
Экраны удобнее всего подключать через соответствующие шилды: для Arduino используйте e-Paper Shield, а для Raspberry Pi подойдёт e-Paper Driver HAT. Вам потребуется только подключить шлейф экрана к плате расширения, а затем надеть её на платформу, как стандартный Shield. Вуаля, никаких заморочек с питанием и согласованием сигналов.
Дисплейные модули подключаются 8-контактным кабелем, который заботливо приложен в комплекте, к любой управляющей платформе с интерфейсом SPI. Это позволяет свободно использовать один и тот же экранный модуль в проектах на разных контроллерах.
Экран в виде Shield’а — фактически, это тот же дисплейный модуль, только заточенный для отдельных платформ. Например, экранные модули E-Ink для Raspberry Pi подключаются напрямую через GPIO-разъём, а заодно решают проблему монтажа.
В заключение
Если вы уже вдоволь наигрались с ЖК-дисплеями и хотите сделать устройство с максимальной автономностью — обратите внимание на экраны E-Ink. Электронная бумага поможет наглядно отобразить информацию и держать её без расхода энергии, пока драгоценный заряд аккумулятора тратится на что-то более полезное.
Краткая история электронной бумаги: эволюция и перспективы
Электронные книги постепенно вытесняют бумажные. В России цифровых изданий уже продается на 13% больше, чем традиционных. По оценкам гендиректора библиотеки электронных книг «ЛитРес» Сергея Анурьева, объем рынка электронных книг вырастет в два раза к 2019–2020 году и составит 12–15% от объема коммерческого книжного рынка.
И хотя так называемая электронная бумага только начинает активно распространяться среди любителей «цифровой» литературы, эта технология не является новой — она существует уже более 40 лет. Все началось с черно-белых экземпляров, но сейчас есть цветная и даже гибкая электронная бумага. В статье мы расскажем, как она развивалась, а также о ее перспективах и возможных сферах применения.
Gyricon — первая электронная бумага
Первый образец электронной бумаги под названием Gyricon разработала компания Xerox в 1974 году в качестве прямой альтернативы ЭЛТ-дисплеям. Они тогда были слишком тусклыми и обладали низкой контрастностью — вплоть до того, что приходилось пользоваться ими в темноте, чтобы хоть что-то видеть. А «экран» Gyricon отлично читался при ярком свете, был гибким и энергоэффективным.
Электронная бумага Gyricon представляла собой тонкий пластиковый лист с капсулами, наполненными маслом. В этих капсулах размещались шарики, полушария которых были выкрашены в разные цвета и имели разный заряд. Когда к подложке прикладывался ток, шарики вращались, образуя двухцветный узор.
В первой версии Gyricon изображение было размытым, потому что шарики вращались неравномерно, а также воздействовали друг на друга. Во втором поколении эту проблему удалось решить, но остались другие трудности — низкое разрешение и дороговизна массового производства. Поэтому, когда в начале 2000-х технология вышла на рынок (под маркой SmartPaper), успешно ее использовать удалось только для интерактивных ценников. После этого разработчик заявил, что Gyricon никогда не смогут стать достаточно удобными для потребителей и заменить обычную бумагу.
Развитие E Ink и покупка SiPix
В 1996 году появилась технология E Ink. В ней использовали шарики-капсулы, которые были наполнены черными и белыми гранулами, плавающими в прозрачной жидкости. В зависимости от прикладываемого заряда, гранулы нужного цвета «всплывали» наверх. Чтобы увеличить четкость картинки, технология позволяла выстраивать на «лицевой» поверхности одного шарика как черные, так и белые гранулы одновременно.
Над технологией работали 8 лет, и только в 2004 году ее впервые использовали в электронном ридере Sony Librie. Девайс оснащался 6-дюймовым E Ink дисплеем первого поколения, который отображал 4 оттенка серого. Его разрешение составляло 800×600 точек.
Читалка Sony Librie питалась от четырех AAA-батареек, которых хватало на чтение 10 тыс. страниц. Продолжительное время автономной работы — это до сих пор одно из главных преимуществ технологии, так как энергия в основном расходуется только в момент «прорисовки» изображения. Стоила такая книжка 376 долларов.
C 2004 по 2010 годы электронные книги по большей части оснащались электронной бумагой E Ink Vizplex. В первых образцах подложка была серого цвета, картинка долго перерисовывалась. Также наблюдался фантомный эффект — «остатки» предыдущего изображения отображались поверх нового. Однако последние образцы Vizplex были существенно улучшены: серый цвет стал белым, а скорость отрисовки увеличилась.
Помимо Sony, на рынке электронных E Ink-ридеров появились несколько крупных компаний: Amazon, Kobo, Barns & Noble, ONYX. Последняя в 2009 году выпустила первый в мире ридер с сенсорным E Ink-экраном. Это была модель ONYX BOOX 60.
В 2010 году было анонсировано второе поколение E Ink — Pearl. Контрастность увеличилась с 7:1 до 10:1, а энергопотребление снизилось на 50%. Первой читалкой с таким дисплеем стала Amazon Kindle DX, а в Россию новое поколение официально пришло в 2011 году с ридером ONYX BOOX A61S Hamlet. ONYX стала третьей компанией в мире, после Amazon и Sony, начавшей производство устройств с такими экранами.
Экран поколения E Ink Pearl обеспечивал большую на 50% четкость изображения и более высокую скорость перерисовки, по сравнению с моделями предыдущего поколения. Дальнейшим развитием технологии E Ink стал рост разрешения и появление экранов Pearl HD. Первой компанией, предложившей устройство с сенсорным дисплеем Pearl HD, снова стала ONYX.
До 2012 года у E Ink был конкурент — технология SiPix. Ее отличие от Gyricon и E Ink состояло в том, что в ячейках с маслом плавали только белые гранулы. Само масло было черным. Из-за этой особенности SiPix уступала E Ink в контрастности — 6:1 против 7:1 в Vizplex и 10:1 в Pearl. При этом сам экран казался пользователям скорее серым, чем белым. Но чтобы избежать конкуренции, E Ink выкупила SiPix, получив возможность диктовать свои условия на рынке электронной бумаги.
В том же 2012 году вышло революционное устройство NOOK Simple Touch with Glow Light. Особенностью его стала подсветка на базе светопроводящего слоя. Но подсветка была очень неоднородной, что вызывало массу жалоб.
В октябре того же года практически одновременно компании Amazon и ONYX выпустили ридеры с экраном Pearl HD и подсветкой от PVI, отличающейся значительно большей однородностью. Модель Amazon Kindle Paperwhite в США и ONYX BOOX Aurora в России стали новой вехой в ридеростроении и ознаменовали гегемонию устройств для чтения с подсветкой.
На фото: ONYX BOOX Aurora
Цветная и гибкая электронная бумага
Современные черно-белые ридеры оснащаются дисплеями Carta с увеличенными по сравнению с Pearl разрешением (1440×1080 точек) и контрастностью (15:1). Тем не менее E Ink уже создала как гибкие, так и цветные экраны.
Технологию гибких экранов Mobius E Ink выкупила у LG, но широкого применения она пока не получила. Первой электронной книгой с таким экраном была 6-дюймовая WEXLER Flex One. Но угол изгиба была незначительным, поэтому особой пользы эта особенность не несла. К тому же в инструкции гнуть девайс и вовсе не рекомендовалось. Устройство достаточно быстро сняли с производства.
В 2016-м ONYX выпустила электронную книгу ONYX BOOX MAX с 13,3-дюймовым экраном Mobius и разрешением 1200×1600 точек. Но устройство поставлялось в металлическом корпусе и потому совсем не гнулось. Однако гибкость Mobius все-таки оказалась полезной — за счет нее экран был не столь хрупким, как стеклянный, и устойчивым к легким ударам.
Позднее появилась модель ONYX BOOX MAX Carta, с экраном более высокой контрастности и с разрешением, увеличенным до 1650 x 2200 точек, а также поддержкой функции SNOW Field. Её задача — снижение количества артефактов на экране во время частичной перерисовки. Это снизило частоту «черных морганий» при чтении простых документов.
Что касается цветных E Ink дисплеев, то здесь есть две разновидности: Triton и AСeP. E Ink Triton отображает до 4096 цветов за счет RGB-фильтра, нанесенного поверх экрана. Прежние преимущества E Ink сохраняются: энергия все так же затрачивается только при прорисовке картинки. Время обновления монохромных изображений осталось прежним — 240 мс, но отрисовка цветного изображения занимает около одной секунды. О том, как работает технология можно узнать в этом видео.
Первой моделью с таким экраном стала Ectaco JetBook Color. Но популярность E Ink Triton так и не обрел — по крайней мере, пока. Несколько компаний выпустили читалки, которые плохо продавались из-за низкой контрастности и разрешения, а также высокой цены.
Автор блога и главный редактор Good e-Reader Майкл Козловски (Michael Kozlowski) пишет, что представители компаний, производящих электронные ридеры, не продвигают цветные E Ink-дисплеи из-за высоких ожиданий пользователей. LCD-панели отображают 16 миллионов цветов, и на их фоне E Ink Triton с его 4096 цветами выглядит не лучшим образом.
Что касается E Ink ACeP (Advanced Color ePaper), то эта технология отображает большее количество цветов. В шариках располагаются пигменты восьми основных цветов, сочетания которых формируют палитру из 32 тыс. оттенков. На выставке SID 2016 компания E Ink даже показала 20-дюймовый дисплей ACeP с разрешением 2500×1600 точек.
Будущее E Ink
Самые четкие E Ink-дисплеи обладают плотностью пикселей до 300 ppi, а модели начального уровня — 167 ppi. В будущем стоит ожидать увеличение этого показателя. Совместно с Japan Display E Ink планирует выпустить электронную бумагу с плотностью пикселей 400 и 600 ppi. Разработчики заявляют, что на таких дисплеях можно будет комфортно читать даже текст, написанный 8-м кеглем.
Не стоит забывать и про низкое энергопотребление электронной бумаги. Может быть, кто-то из производителей воспользуется энергоэффективностью E Ink и выпустит читалку с питанием от солнечной энергии. Чехол для электронных книг с солнечной батареей компания Bookeen уже сделала в 2016 году, также есть инструкции по самостоятельному изготовлению аналогичного чехла.
Стоит ожидать более широкого появления E Ink за пределами электронных книг. У них большой потенциал в рекламе: можно сократить затраты на бумажные ценники, делать многоразовые плакаты. Немецкая компания RoadAds разработала E Ink-экраны, устанавливаемые на фуры. E Ink также используют для автомобильных брелоков, а японская компания Android Experiments Object представила концепт календаря на E Ink, который синхронизируется с календарем Google.
Сейчас E Ink-дисплеями уже оснащаются смартфоны, яркий пример — нашумевший YotaPhone, где электронная бумага располагается сзади, выполняя роль дополнительного дисплея. В сентябре этого года вышло третье поколение устройства — у него 5,2-дюймовый экран E Ink Carta II с разрешением HD. А для других смартфонов производители аксессуаров делают чехлы с E Ink.
Чем отличаются дисплеи электронных книг от дисплеев смартфонов и планшетов?
В Интернете уже немало копий сломано по поводу того, отличаются ли с точки зрения пользователя экраны электронных книг (изготовленные по технологии E Ink) от экранов планшетов и смартфонов (по технологиям LCD и OLED), или же никакого существенного отличия нет? Свет – он и в Африке свет?!
Пришло время за долгие годы этих споров разобраться в этом вопросе и подвести жирную черту.
Сначала – расшифровка обозначений LCD, OLED и E Ink.
LCD — это Liquid Crystal Display, дисплей на основе жидких кристаллов. У них есть разновидности: TN, IPS, VA и др.
OLED – это дисплей на основе светоизлучающих органических диодов, Organic Light-Emitting Diode. У них тоже есть разновидности: AMOLED и Super AMOLED.
E Ink (Electronic Ink) – это дисплей на основе «электронных чернил» («электронной бумаги»), где изображение формируется микроскопическими частицами пигмента. Собственно, так же оно образуется и на «настоящей» бумаге, только измениться потом не может.
Их разновидности, в основном, обозначают смену их поколений (VizPlex, Pearl, Carta).
Сначала – вкратце несколько слов о технологических особенностях построения изображения на экранах этих типов, что и приводит к разнице для пользователя.
Экраны по технологиям LCD и OLED являются светоизлучающими, хотя делают это они по-разному.
По технологии LCD изображение (в виде пикселей) формируется в слое жидких кристаллов, прозрачность которых меняется под воздействием электрического поля (за счёт поворота оси поляризации жидких кристаллов, упрощенно говоря). Но сам этот слой жидких кристаллов свет не излучает; излучением света занимается лампа подсветки, расположенная позади этого слоя.
В экранах по технологии OLED – наоборот, излучает свет каждый пиксель, поскольку каждый пиксель – это и есть излучающий светодиод.
По технологии E Ink экран не содержит светоизлучающих элементов (подсветка, когда она есть, организуется особым образом, об этом будет рассказано позже); а изображение формируется физическим перемещением частиц пигмента.
Схематично принцип действия экранов E Ink представлен на следующем рисунке:
Что интересно, после снятия приложенного к электродам напряжения, все частицы остаются на своих местах, и изображение никуда не пропадает. Это – характерная особенность дисплеев E Ink – отсутствие потребления энергии при показе статических изображений. Но при смене изображения энергия всё-таки необходима для перемещения частиц.
Теперь рассмотрим микрофотографии этих типов экранов (сделаны с помощью цифрового микроскопа начального уровня, так что «что вышло – то вышло»).
Микрофотография экрана на «электронных чернилах» E Ink:
Некоторая «шероховатость» изображения связана с шероховатой (матовой) поверхностью экрана.
Микрофотография экрана LCD типа TN+Film:
Структура субпикселей – равномерная.
Микрофотография экрана LCD типа IPS:
Заметно наличие внутренней структуры субпикселей и их «косматые» границы.
Микрофотография экрана AMOLED:
Заметна различная форма субпикселей разных цветов (один из вариантов).
На что ещё надо обратить внимание?
На экранах LCD и OLED светящиеся пиксели занимают не всю поверхность экрана (между ними – чёрные промежутки); а на экране E Ink пиксели, формирующие изображение, занимают всю поверхность экрана. И в этом – ещё одно сходство с изображением на бумаге.
Причем, если на экранах LCD или OLED активным окажется только один цвет из трёх цветов субпикселей, то «тёмная» площадь экрана будет ещё в разы больше, чем при белом экране.
Если при этом наблюдать за изображением с такого расстояния, при котором пиксели гарантированно «сливаются» для наблюдателя, то это значения иметь не будет. Но для любителей смотреть с близкого расстояния ситуация будет другой – часть колбочек на сетчатке будет освещена слишком сильно, а другая часть – слишком слабо.
Но, как известно, «за всё надо платить». Более равномерная яркость на экране с «электронной бумагой» достигнута высокой ценой: все они – монохромные (черно-белые, и даже не с «50-ю оттенками серого», а только с 16-ю). Правда, в последнее время делаются попытки выпустить цветные экраны E Ink, но до массовых масштабов производства ещё далеко.
Также сближает E Ink по физическим свойствам с бумагой и матовая поверхность экранов («настоящая» бумага – тоже матовая). Причём она матовая – у всех выпускаемых сейчас экранов E Ink.
Экраны LCD и OLED тоже бывают матовыми, но только у наиболее дорогих планшетов. У смартфонов же, по традиции, делаются глянцевые экраны, в которых хорошо отражаются внешние источники света.
Теперь к вопросу о том, чем хороша похожесть экранов E Ink на бумагу?
Когда мы читаем бумажный документ, то, хотя мы это и не осознаём, работает мгновенная «автоматическая регулировка яркости» носителя. Как только мы вносим бумажный документ в более светлое место, так и он сразу становится светлее. И это – вполне естественно, ведь бумага «работает» на отраженном свете.
Точно также работает и экран на «электронной бумаге» — на отраженном свете.
Таким образом, в обоих случаях яркостно-контрастные параметры носителей мгновенно и оптимально подстраиваются под внешнее световое окружение. В этом и заключается ещё одна их полезность для зрения. Вспомним, что медики крайне не рекомендуют смотреть телевизор в полной темноте: высокие контрастные перепады светового окружения раздражают зрение.
У экранов LCD и OLED тоже бывает автоматическая регулировка яркости (аппаратная, а не естественная), но работает «не так и не сразу».
Из сходства экранов E Ink с бумагой проистекает и ещё одно их уникальное преимущество: чем выше яркость внешнего света, тем изображение на них видно лучше; в то время как для экранов LCD/OLED ситуация диаметрально противоположная. Вдобавок, чтобы что-то разглядеть на экранах LCD/OLED на прямом солнечном свете, приходится ещё и яркость включать на максимум, что быстро разряжает аккумуляторы мобильных устройств.
Очередной позитивный фактор экранов на «электронных чернилах» — «абсолютные» углы обзора (тоже как у бумаги).
У экранов LCD яркость довольно сильно падает при отклонении угла зрения от вертикали (особенно – у экранов типа TN+Film). Правда, экранам OLED в значительной степени удалось эту проблему решить.
Очередная проблема экранов LCD и OLED – мерцающая подсветка. Её существование связано с тем, что регулировка яркости в них осуществляется с помощью ШИМ (широтно-импульсной модуляции) с частотой 60-200 Гц (больше – лучше).
Она имеет разную заметность при разных уровнях яркости; максимально-заметной бывает обычно при яркости около 50%.
Обнаружить такой тип подсветки можно давно известным «карандашно-стробоскопическим методом»; то есть, веерообразно размахивая перед экраном карандашом, зажатым между двумя пальцами. У «мерцающих» экранов карандаш образует целый ряд силуэтов; у «немерцающих» они видны только в крайних положениях карандаша (в моменты смены направления движения).
У экранов E Ink нет подсветки — нет и проблемы!
Но, что интересно, хотя уже появились экраны E Ink с подсветкой, такой проблемы у них всё равно нет. Решена она за счет значительного повышения частоты ШИМ.
Техническая организация подсветки у E Ink экранов совершенно другая, чем у экранов LCD (а у OLED нет подсветки как отдельной функциональной части экранов).
У экранов LCD подсветка осуществляется лампой позади слоя, в котором формируется изображение. Но для экранов E Ink такая подсветка не подходит: это всё равно, что читать страницы книги «на просвет».
В связи с этим подсветка для экранов E Ink работает во внешнем слое экрана. Распространяющийся в этом узком слое свет освещает сформированное изображение «скользящим» светом сверху; благодаря чему эта подсветка работает точно так же, как если бы это был внешний свет.
Из-за того, что формирование изображения на них производится путем механического перемещения частиц, быстродействие таких экранов оказывается низким. Для большинства экранов E Ink время полного обновления экрана составляет около 0.45 секунды (из технических данных, до 0.2 секунды в реальных условиях). Кино на таких экранах невозможно посмотреть в принципе, даже чёрно-белое.
Ещё одна проблема, но менее значительная, — так называемые «артефакты изображения», представляющие собой бледные следы на экране от предыдущего изображения. Правда, для текстов эту проблему решить удалось (технология Snow Field); но для «крупногабаритных» изображений (рисунков и другой графики) проблема так и «зависла».
С целью борьбы с артефактами обычно периодически проводится полный «сброс» экрана, т.е. он полностью зачерняется, а уже затем на нём прорисовывается новое изображение. Рекомендуемая обычно частота «сброса» — один раз на 5-10 листаний страниц.
На этом пришла пора подвести итоги («плюсы» и «минусы» E Ink) и определить возможную область применения экранов E Ink.
«Плюсы» экранов E Ink по сравнению с LCD/OLED экранами: